WO2009089941A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum aufladen und entladen einer kapazitiven last - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum aufladen und entladen einer kapazitiven last Download PDF

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WO2009089941A1
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Christian Augesky
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement and a method for charging and discharging a capacitive load, in particular a piezoelectric actuator for a fuel injection valve of an internal combustion engine.
  • piezoelectric actuators Such piezoelectric elements are usually composed as a stack of piezoceramic disks, which are operated via an electrical parallel circuit in order to achieve the necessary for a sufficient stroke electric field strengths can.
  • Piezo actuator flowing current This requires correspondingly high-load components, such as semiconductor switching elements, capacitors and inductors. This requires comparatively large assemblies and also places considerable demands on the components and production technologies.
  • the switched operation of the control stages usually requires a high outlay for the filtering / suppression of the resulting high-frequency interference (EMC problem).
  • the circuit arrangement according to the invention comprises:
  • a voltage source for providing a supply voltage related to an electrical ground
  • a capacitor arranged between a first circuit node and a second circuit node, the first circuit node being connected to the voltage source via a diode, and the second circuit node being connectable to the voltage source via a first switch,
  • a current setting device arranged in series with the load, via which the load is energized during charging and discharging, and which comprises a current source arranged in the first current path and / or a current current arranged in the second current path,
  • the basic idea of the invention is the positive properties of a "linear power amplifier", i. H. one
  • Components such as the capacitor and semiconductor switching elements are designed with lower load capacity. This is because a necessary maximum charging voltage for the piezoelectric actuator is achieved by voltage conversion (essentially voltage doubling) by means of the capacitor.
  • each charging process as well as each discharging process takes place in two successive phases, namely a first and a second charging phase or a first and second discharging phase.
  • the load is charged from a series connection of the voltage source and the capacitor to the desired final voltage.
  • the load in the capacitor is partially discharged, with advantageous energy recovery into this capacitor.
  • the voltage source which provides the supply voltage for. B. be formed by a DC / DC voltage converter.
  • an on-board voltage eg 12 V or 24 V
  • the supply voltage is, for example, greater than 50 V.
  • the maximum charging voltage generated by the circuit arrangement for the piezoelectric actuator for example, greater than 150% of the
  • Be supply voltage and be, for example, more than 100V.
  • Stromeinstell issued a first power source for charging the load and separately from a second power source for discharging the load.
  • a separation of the current sources for charging and discharging has proven to be advantageous, in particular with regard to the circuitry realization or adjustability of the current sources.
  • the resulting in the field of current adjustment power loss can be advantageously divided into at least two branches.
  • a power source in the context of the present invention can be very simple z.
  • B. as a transistor (field effect transistor or bipolar transistor) may be formed, the control terminal (gate or base) is acted upon by a drive signal for determining the current flowing through the transistor current.
  • bidirectionally operable current source which is used in one direction for charging and in the other direction for discharging in the adjustment of the load current.
  • Power source can be very simple z. B. be realized using two transistors arranged parallel to each other.
  • a current source provided for charging the load is arranged in the first current path and / or a current source provided for discharging the load is arranged in the second current path.
  • the switches are driven by a control device, which also the
  • At least one of the switches is designed as a transistor, then it is possible to use this transistor not only for switching, but also as a component of the current setting device. In other words, the transistor then forms an on and off switchable current source in the sense of the present invention, thus uniting the function of current setting and switching in itself.
  • a transistor which may be formed as a switching transistor or as a switching / Stromeinstell transistor, z. B. a FET, in particular MOS-FET be provided.
  • the charging and / or the discharge of the load is regulated.
  • the instantaneous load current and / or the voltage currently applied to the load (load voltage) during charging or discharging can be measured and compared with a setpoint value, based on an actual value / setpoint comparison, the drive signals for the switches and the current source ( n) are generated.
  • the load is preferably charged substantially to the supply voltage.
  • the load is preferred in Essentially charged to twice the supply voltage.
  • the load is preferably discharged substantially to the supply voltage.
  • the load is preferably discharged substantially completely (to "zero" or electrical ground).
  • a diode in the first current path, is arranged, via which the load current flows during the first discharge phase.
  • a current source for charging the load may be provided in parallel with this discharge diode.
  • diodes can advantageously be arranged in series with the first switch and / or with the second switch.
  • the invention may be implemented using a single voltage source (eg, a DC / DC converter) whose supplied supply voltage is advantageously up-converted to achieve approximately twice the load voltage when the load is charged.
  • a single voltage source eg, a DC / DC converter
  • the capacitor is effectively created an "auxiliary voltage source" for voltage overshoot, which is switched in the second charging phase of the actual supply voltage.
  • a DC / DC converter used to generate the supply voltage can operate at about "half voltage" (compared to the desired maximum voltage at the load), which reduces the demands on the circuit components, and in particular the use of lower-component components Maximum voltage allows. For lower voltages, a larger and thus more cost-effective component offer can be used.
  • the capacitor can also be used as a so-called "bootstrap" voltage source for drive units for driving the first switch and / or the second switch. Because of the (compared to the maximum load voltage) relatively low supply voltage such control parts for driving the two switches can be supplied with simple means (linear stabilization).
  • Supply voltage is provided and the other is provided by a capacitor and to a certain extent as an auxiliary voltage, each in two phases running
  • Fig. 2 shows the time course of some variables in the operation of the circuit arrangement of Fig. 1
  • 3 shows an output stage for driving a plurality of piezoelectric actuators using the circuit arrangement of FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement 10 for controlling a piezoelectric actuator P of a fuel injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle. The control is carried out by charging and discharging of a capacitive load performing piezoelectric actuator P.
  • the circuit arrangement 10 comprises a voltage source for providing a supply voltage Ub related to an electrical ground GND.
  • Ub is z. B. about 100 V.
  • a capacitor Ch is arranged between a first circuit node K1 and a second circuit node K2, the first circuit node K1 being connected to the voltage source via a diode D1 and the second circuit node K2 being connectable to the voltage source via a first switch S1.
  • the diode D1 is polarized such that a current can flow from the voltage source to the circuit node K1.
  • a diode D3 is also arranged in series with the first switch Sl.
  • the first current path is formed by a first current source CS1 and the second current path by a second current source CS2.
  • Parallel to the first current source CSl by means of which a current flow from the circuit node Kl to the output terminal Al can be set, a diode D2 is arranged with opposite flux polarity.
  • a current flow from the circuit node Kl to the output terminal Al is set.
  • Circuit node K2 are set to the output terminal A2, which is connected to the electrical ground GND.
  • the two current sources CS1 and CS2 form a series circuit with the piezoelectric actuator P arranged
  • this Stromeinstell shark comprises the first current source CSl in the first current path and the second current source CS2 in the second current path.
  • the circuit arrangement 10 comprises a second switch S2 (with a diode D4 connected in series therewith), via which the first current path (between the first current source CS1 and the output terminal A1) can be connected to the second circuit node K2.
  • control device SE which for this purpose
  • Control signals sl (for the switch Sl) and s2 (for the switch S2) generates and outputs.
  • the switches S1 and S2 in this embodiment are formed by switching transistors (eg FETs) whose control terminals (eg gates) are supplied with the drive signal s1 or s2 become.
  • the current sources CS1 and CS2 are also each formed in the illustrated embodiment as a transistor whose control terminal is supplied with a drive signal sipl or sip2, which is also generated by the control device SE. Unlike the drive signals sl and s2, no switching on and off of the respective transistors is effected with the drive signals sipl and sip2, but in each case a specific load current IpI or Ip2 is set during charging and discharging in the first or second current path.
  • a first node voltage Uboost between Kl and GND
  • a second node voltage Uh between K2 and GND
  • the load or piezo voltage Up are shown.
  • the course of the load current Ip is shown, which is formed during charging of the piezoelectric actuator P from the current IpI and the discharge of the piezoelectric actuator P from the current Ip2.
  • the charging of the piezoelectric actuator P takes place during a period of time which is composed of a first charging phase "a" and a second charging phase "b" immediately following it.
  • the discharge of the piezoelectric actuator P takes place during a period of time which comprises a first discharge phase "c" and a second discharge phase "d".
  • the phases Slon and S2on which are also shown in FIG. 2, denote those time periods in which the switching elements S1 and S2 are switched on.
  • the illustrated, total trapezoidal course of the piezoelectric voltage Up is to be accomplished.
  • the individual phases can be described as follows:
  • the first switch Sl is closed and the second switch S2 is opened and the piezo actuator P is further charged from the resulting series connection of the voltage source and the capacitor Ch.
  • the closing of Sl raises the voltage level at
  • Discharge capacitor Ch This partial discharge takes place via the diode D2 in the first current path and via the second current source CS2 in the second current path. In this case, energy is returned from the piezoelectric actuator P in the condenser Ch.
  • Ip2 is determined by the corresponding control of the current source CS2. This partial discharge can be continued until the node voltage Uh has dropped to the minimum voltage ( ⁇ Uip) necessary for the function of the current source CS2 or the piezo voltage Up has fallen to the level of the supply voltage Ub.
  • the first switch S1 is opened and the second switch S2 is closed and the piezoelectric actuator P is further discharged into the electrical ground GND.
  • the piezoelectric actuator P via the diode D4, the switch S2 and the power source CS2 is connected to electrical ground GND.
  • This allows a complete discharge of the piezoelectric actuator P.
  • the "charge deficit” charge / discharge efficiency in practice not equal to 1) previously formed in the capacitor Ch is supplemented again, whereby (with unchanged current Ip2 ) the steepness of the Piezo discharge current is flattened. Is this
  • An arrangement for a plurality of capacitive loads for example, several piezobetusch Wegner fuel injectors in a motor vehicle, can be in a simple manner z. B. by mass side "select switch" realize.
  • Such a circuit arrangement or output stage for controlling a plurality of piezo actuators is shown in FIG.
  • Fig. 3 shows an output stage 100 comprising a
  • Circuit arrangement 10 ' which may for example be identical to the circuit arrangement 10 described above and accordingly has two output terminals Al (supply side) and A2 (ground side).
  • the output terminal Al is connected to one of the two load terminals of all the piezo actuators P1, P2,..., Whereas the respectively other load terminal of these piezoactuators is connected via a respectively assigned selector switch (transistors T1, T2, connected to the output terminal A2.
  • a respectively assigned selector switch transistors T1, T2, connected to the output terminal A2.
  • this connection path (between A2 and the selection switches) is also still a current measuring resistor Rs arranged by means of which the instantaneous load current of the selected piezoelectric actuator can be measured.
  • the voltage drop across the measuring resistor Rs is measured for this purpose, for which purpose the circuit arrangement 10 'is provided with an input terminal El, via which the measured voltage drop of the corresponding control device within the
  • Circuit 10 ' is supplied for evaluation or consideration in the control.
  • the voltage drop to be measured is called Uirs.
  • Activation signals for switching the selector switches Tl, T2,... can also be generated and output by the relevant control device (not shown).
  • the selection switches T1, T2,... can advantageously also assume the function of a current setting, as is realized, for example, in FIG. 1 by the current source CS1.
  • This can z. B. a current source CSl corresponding common current source of the circuit part 10 'are replaced or occurring at such a current adjustment power dissipation be better distributed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) sowie ein Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, und zielt darauf ab, das Auf- und Entladen der Last (P) mit gutem Wirkungsgrad und geringem schaltungstechnischen Aufwand zu ermöglichen. Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die positiven Eigenschaften einer 'linearen Endstufe', d. h. einer Bestromung der Last aus einer einstellbaren Stromquelle (CS), mit dem hohen Wirkungsgrad einer 'geschalteten Endstufe' (unter Nutzung einer Induktivität als Energiespeicher) zu verbinden. Erfindungsgemäß erfolgen die Auflade- und Entladevorgänge jeweils in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen (a, b bzw. c, d), wobei während einer zweiten Aufladephase (b) die Last (P) aus einer Reihenschaltung einer Spannungsquelle und eines Kondensators (Ch) auf die gewünschte Endspannung aufgeladen wird. Während einer ersten Entladephase (c) wird die Last (P) in den Kondensator (Ch) teilweise entladen, wobei vorteilhaft eine Energierückspeicherung in diesen Kondensator erfolgt.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine.
Derartige Schaltungsanordnungen und Verfahren sind beispielsweise aus der DE 199 44 733 Al, der DE 198 14 594 Al und der DE 199 52 950 Al bekannt.
Insbesondere die in letzter Zeit strenger gewordenen
Abgasnormen für Motoren haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren mit schnell und verzögerungsfrei ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst . Bei der praktischen Realisierung derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische
Elemente (kurz: Piezoaktoren) als vorteilhaft erwiesen. Derartige Piezoelemente sind üblicherweise als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen zu können.
Beim Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur Betätigung eines Einspritzventils Verwendung findet, d. h. beim Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststromes, werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik gestellt. Ein mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B.
Benzin, Diesel etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr hohe Anforderungen an ein exaktes und reproduzierbares Öffnen und Schließen des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektronik gestellt. So müssen dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig Lastströme zum Laden und Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden. Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleichzeitig sollte während dieser Ladevorgänge und Entladevorgänge der Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrolliert zugeführt werden .
Eine Gemeinsamkeit der oben erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen und Verfahren besteht darin, dass mittels geschalteter Speicherinduktivitäten die Energie portionenweise transportiert wird. Damit sind zwar gute Wirkungsgrade erreichbar, allerdings mit sehr großem Bauelementeaufwand. Es treten auch wesentlich höhere kurzzeitige Ströme auf als der Mittelwert des in den
Piezoaktor fließenden Stromes. Dies bedingt entsprechend hoch belastbare Bauelemente, beispielsweise Halbleiter- Schaltelemente, Kondensatoren und Induktivitäten. Dies erfordert vergleichsweise große Baugruppen und stellt zudem erhebliche Ansprüche an die Komponenten- als auch Produktionstechnologien Darüber hinaus bedingt der geschaltete Betrieb der Ansteuerstufen zumeist einen hohen Aufwand für die Filterung/Unterdrückung der dabei entstehenden hochfrequenten Störungen (EMV-Problematik) .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last aufzuzeigen, mittels welchem ein guter Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem schaltungstechnischen Aufwand ermöglicht ist .
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst:
- eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen Versorgungsspannung,
- einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten angeordneten Kondensator, wobei der erste Schaltungsknoten über eine Diode mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten über einen ersten Schalter mit der Spannungsquelle verbindbar ist,
- einen vom ersten Schaltungsknoten zu einem der Lastanschlüsse führenden ersten Strompfad und einen vom zweiten Schaltungsknoten zum anderen der Lastanschlüsse führenden zweiten Strompfad,
- eine in Reihenschaltung mit der Last angeordnete Stromeinstelleinrichtung, über welche die Last beim Aufladen und Entladen bestromt wird, und welche eine im ersten Strompfad und/oder eine im zweiten Strompfad angeordnete Stromquelle umfasst,
- einen zweiten Schalter, über welchen der erste Strompfad mit dem zweiten Schaltungsknoten verbindbar i st , und
- eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Stromeinstelleinrichtung, derart, dass
a) während einer ersten Aufladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last aus der Versorgungsspannung teilweise aufgeladen wird,
b) während einer zweiten Aufladephase der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet ist und die Last aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators weiter aufgeladen wird,
c) während einer ersten Entladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last in den Kondensator teilweise entladen wird, und
d) während einer zweiten Entladephase der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen ist und die Last in die elektrische Masse weiter entladen wird.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die positiven Eigenschaften einer "linearen Endstufe", d. h. einer
Bestromung der kapazitiven Last aus einer einstellbaren Stromquelle, mit dem hohen Wirkungsgrad einer "geschalteten Endstufe" (z. B. Nutzung einer Induktivität als Energiespeicher im Zuge einer Umschwingfunktion, bei welcher Energieportionen transportiert werden) zu verbinden.
Wie es aus dem unten noch detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiel hervorgeht, ist bei der Erfindung die Verwendung einer Speicher- bzw. Umschwinginduktivität entbehrlich. Dennoch ist ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, insbesondere weil ein während der "ersten Entladephase" fließender Laststrom zur Rückspeisung von elektrischer Energie in den Kondensator genutzt wird. Außerdem können
Bauelemente wie der Kondensator und Halbleiter-Schaltelemente mit geringerer Belastbarkeit ausgelegt werden. Dies deshalb, weil eine notwendige maximale Aufladespannung für den Piezoaktor durch eine Spannungswandlung (im Wesentlichen Spannungsverdopplung) mittels des Kondensators erreicht wird.
Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Grundidee ist von wesentlicher Bedeutung, dass jeder Aufladevorgang wie auch jeder Entladevorgang in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen erfolgt, nämlich einer ersten und zweiten Aufladephase bzw. einer ersten und zweiten Entladephase. Während der zweiten Aufladephase wird die Last aus einer Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators auf die gewünschte Endspannung aufgeladen. Während der ersten Entladephase wird die Last in den Kondensator teilweise entladen, wobei vorteilhaft eine Energierückspeicherung in diesen Kondensator erfolgt .
Insbesondere bei einer Anwendung im Bereich der Automobilelektronik (z. B. zur Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils) kann die Spannungsquelle, welche die Versorgungsspannung bereitstellt, z. B. durch einen DC/DC-Spannungswandler gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung (z. B. 12 V oder 24 V) in die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung gewandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versorgungsspannung beispielsweise größer als 50 V. Die mit der Schaltungsanordnung erzeugte maximale Aufladespannung für den Piezoaktor kann beispielsweise größer als 150 % der
Versorgungsspannung sein und beispielsweise mehr als 100 V betragen .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Stromeinstelleinrichtung eine erste Stromquelle zum Aufladen der Last und separat davon eine zweite Stromquelle zum Entladen der Last auf. Eine Separation der Stromquellen für die Auf- und Entladung hat sich insbesondere im Hinblick auf die schaltungstechnische Realisierung bzw. Einstellbarkeit der Stromquellen als vorteilhaft herausgestellt . Außerdem kann damit die im Bereich der Stromeinstellung entstehende Verlustleistung vorteilhaft in zumindest zwei Zweige aufgeteilt werden.
Eine Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sehr einfach z. B. als Transistor (Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor) ausgebildet sein, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließenden Stromes beaufschlagt wird.
Denkbar ist jedoch auch die Verwendung einer bidirektional betreibbaren Stromquelle, die in einer Richtung zum Aufladen und in der anderen Richtung zum Entladen bei der Einstellung des Laststromes verwendet wird. Eine bidirektionale
Stromquelle kann sehr einfach z. B. unter Verwendung von zwei parallel zueinander angeordneten Transistoren realisiert werden .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zum Aufladen der Last vorgesehene Stromquelle im ersten Strompfad angeordnet und/oder ist eine zum Entladen der Last vorgesehene Stromquelle im zweiten Strompfad angeordnet. Bevorzugt ist wenigstens einer der Schalter, insbesondere sämtliche der Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden die Schalter (z. B. Transistoren) von einer Steuereinrichtung angesteuert, welche auch die
Stromeinstelleinrichtung zur Festlegung des gelieferten Stromes ansteuert (etwa durch Ausgabe von Steuerspannungen für die betreffenden Transistoren) .
Wenn wenigstens einer der Schalter als Transistor ausgebildet ist, so kommt in Betracht, diesen Transistor nicht nur zum Schalten zu verwenden, sondern auch als eine Komponente der Stromeinstelleinrichtung. Mit anderen Worten bildet der Transistor dann eine ein- und ausschaltbare Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung, vereinigt also die Funktion der Stromeinstellung und des Schaltens in sich.
Als Transistor, der als Schalttransistor oder als Schalt/Stromeinstell-Transistor ausgebildet sein kann, kann z. B. ein FET, insbesondere MOS-FET vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Aufladung und/oder die Entladung der Last geregelt . Beispielsweise kann der momentane Laststrom und/oder die momentan an der Last anliegende Spannung (Lastspannung) während der Aufladung bzw. Entladung gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden, wobei auf Basis eines Istwert /Sollwert-Vergleiches die Ansteuersignale für die Schalter und die Stromquelle (n) erzeugt werden.
Durch die erste Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die Versorgungsspannung aufgeladen. Durch die zweite Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf das Doppelte der Versorgungsspannung aufgeladen. Durch die erste Entladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die Versorgungsspannung entladen. Durch die zweite Entladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen vollständig (auf "Null" bzw. elektrische Masse) entladen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass im ersten Strompfad eine Diode angeordnet ist, über welche der Laststrom während der ersten Entladephase fließt . Parallel zu dieser Entladediode kann eine Stromquelle zum Aufladen der Last (in umgekehrter Stromflussrichtung) vorgesehen sein.
Weitere Dioden können vorteilhaft in Reihenschaltung mit dem ersten Schalter und/oder mit dem zweiten Schalter angeordnet werden .
Die Erfindung kann vorteilhaft unter Verwendung einer einzigen Spannungsquelle (z. B. ein DC/DC-Wandler ) realisiert werden, deren gelieferte Versorgungsspannung vorteilhaft aufwärtsgewandelt wird, um bei der Aufladung der Last eine etwa doppelt so große Lastspannung erreichen zu können. Hierfür wird mit dem Kondensator gewissermaßen eine "Hilfsspannungsquelle" zur Spannungsüberhöhung geschaffen, welche in der zweiten Aufladephase der eigentlichen Versorgungsspannung zugeschaltet wird.
Ein zur Erzeugung der Versorgungsspannung eingesetzter DC/DC- Wandler kann auf etwa "halber Spannung" (im Vergleich zur gewünschten Maximalspannung an der Last) arbeiten, was die Anforderungen an die Schaltungskomponenten verringert und insbesondere den Einsatz von Komponenten mit niedrigerer Maximalspannung ermöglicht . Für niedrigere Spannungen ist ein größeres und somit kostengünstigeres Bauteileangebot nutzbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Kondensator auch als so genannte "Bootstrap"-Spannungsquelle für Ansteuereinheiten zur Ansteuerung des ersten Schalters und/oder des zweiten Schalters verwendet werden. Wegen der (im Vergleich zur maximalen Lastspannung) relativ geringen Versorgungsspannung können solche Ansteuerungsteile zur Ansteuerung der beiden Schalter mit einfachen Mitteln versorgt werden (lineare Stabilisierung) .
Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Erfindung eine schaltungstechnisch einfache, kompakte und verlustarme Realisierung der Auf- und Entladung einer kapazitiven Last bereitgestellt werden. Wesentlich ist die Verwendung von zwei verschiedenen Spannungen, von denen eine als
Versorgungsspannung bereitgestellt wird und die andere durch einen Kondensator bereitgestellt wird und gewissermaßen als Hilfsspannung bei jeweils in zwei Phasen ablaufenden
Ladevorgängen bzw. Entladevorgängen fungiert. Eine Verwendung von "linearen Stromquellen" ermöglicht vorteilhaft nahezu beliebige Auflade- bzw. Entladekurvenformen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei¬ spielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf einiger Größen im Betrieb der Schaltungsanordnung von Fig. 1, und Fig. 3 eine Endstufe zur Ansteuerung mehrerer Piezoaktoren unter Verwendung der Schaltungsanordnung von Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 zur Ansteuerung eines Piezoaktors P eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P .
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen Versorgungsspannung Ub. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt Ub z . B. etwa 100 V.
Zwischen einem ersten Schaltungsknoten Kl und einem zweiten Schaltungsknoten K2 ist ein Kondensator Ch angeordnet, wobei der erste Schaltungsknoten Kl über eine Diode Dl mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten K2 über einen ersten Schalter Sl mit der Spannungsquelle verbindbar ist. Die Diode Dl ist hierbei so gepolt, dass ein Strom von der Spannungsquelle zum Schaltungsknoten Kl fließen kann .
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem eine Diode D3 in Reihenschaltung zu dem ersten Schalter Sl angeordnet .
Zu Ausgangsanschlüssen Al und A2 der Schaltungsanordnung 10, die mit den beiden Lastanschlüssen des Piezoaktors P verbunden sind, führt ausgehend vom Schaltungsknoten Kl ein erster Strompfad bzw. ausgehend vom Schaltungsknoten K2 ein zweiter Strompfad.
Der erste Strompfad wird von einer ersten Stromquelle CSl und der zweite Strompfad von einer zweiten Stromquelle CS2 gebildet. Parallel zur ersten Stromquelle CSl, mittels welcher ein Stromfluss vom Schaltungsknoten Kl zum Ausgangsanschluss Al eingestellt werden kann, ist eine Diode D2 mit entgegengesetzter Flusspolung angeordnet. Mit der zweiten Stromquelle CS2 kann ein Stromfluss vom
Schaltungsknoten K2 zum Ausgangsanschluss A2 eingestellt werden, der mit der elektrischen Masse GND verbunden ist.
Die beiden Stromquellen CSl und CS2 bilden eine in Reihenschaltung mit dem Piezoaktor P angeordnete
Stromeinstelleinrichtung, über welche der Piezoaktor beim Aufladen und Entladen bestromt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst diese Stromeinstelleinrichtung die erste Stromquelle CSl im ersten Strompfad und die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad.
Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 10 einen zweiten Schalter S2 (mit einer Diode D4 in Reihenschaltung dazu) , über welchen der erste Strompfad (zwischen der ersten Stromquelle CSl und dem Ausgangsanschluss Al) mit dem zweiten Schaltungsknoten K2 verbindbar ist .
Die Schaltvorgänge im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden unten noch detailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür
Steuersignale sl (für den Schalter Sl) und s2 (für den Schalter S2) erzeugt und ausgibt. Wenngleich dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, so sind die Schalter Sl und S2 bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalttransistoren (z. B. FETs) gebildet, deren Steueranschlüsse (z. B. Gates) mit dem Ansteuersignal sl bzw. s2 versorgt werden.
Die Stromquellen CSl und CS2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls jeweils als ein Transistor ausgebildet, dessen Steueranschluss mit einem Ansteuersignal sipl bzw. sip2 beaufschlagt wird, welches ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale sl und s2 wird mit den Ansteuersignalen sipl und sip2 kein Einschalten und Ausschalten der betreffenden Transistoren bewirkt, sondern jeweils ein bestimmter Laststrom IpI bzw. Ip2 beim Aufladen und Entladen im ersten bzw. zweiten Strompfad eingestellt.
Nachfolgend wird unter Heranziehung auch der Fig. 2 die Ansteuerung des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben.
Fig. 2 zeigt am Beispiel eines Ansteuerzyklus (eine Aufladung und eine nachfolgende Entladung) die Verläufe verschiedener Größen im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 in Abhängigkeit von der Zeit t .
Im oberen Teil von Fig. 2 sind die Verläufe einer ersten Knotenspannung Uboost (zwischen Kl und GND), einer zweiten Knotenspannung Uh (zwischen K2 und GND) und der Last- bzw. Piezospannung Up eingezeichnet. Im unteren Teil von Fig. 2 ist der Verlauf des Laststromes Ip dargestellt, der beim Aufladen des Piezoaktors P vom Strom IpI und beim Entladen des Piezoaktors P vom Strom Ip2 gebildet wird. Die Aufladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Aufladephase "a" und einer sich unmittelbar daran anschließenden zweiten Aufladephase "b" zusammensetzt.
Die Entladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Entladephase "c" und einer zweiten Entladephase "d" zusammensetzt.
Die in Fig. 2 außerdem eingezeichneten Phasen Slon und S2on bezeichnen diejenigen Zeitspannen, in denen die Schaltelemente Sl bzw. S2 eingeschaltet sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll der dargestellte, insgesamt trapezförmige Verlauf der Piezospannung Up bewerkstelligt werden. Die einzelnen Phasen lassen sich wie folgt beschreiben:
Während der ersten Aufladephase "a" sind beide Schalter Sl, S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird aus der
Versorgungsspannung Ub teilweise aufgeladen. Dabei steigt die Piezospannung Up kontinuierlich an. Der konkrete Verlauf ist durch entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CSl einstellbar. Am Ende dieser Phase ist die Piezospannung Up auf die Versorgungsspannung Ub abzüglich einer für die Funktion der Stromquelle CSl notwendigen Mindestspannung (ΔUip) angestiegen.
Während der zweiten Aufladephase "b" ist der erste Schalter Sl geschlossen und der zweite Schalter S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators Ch weiter aufgeladen. Das Schließen von Sl hebt nämlich das Spannungsniveau am
Eingang der Stromquelle CSl mittels des auf die Versorgungsspannung Ub aufgeladenen Kondensators Ch auf etwa das Doppelte der Versorgungsspannung Ub. Der konkrete Verlauf der weiter ansteigenden Piezospannung Up bzw. des in den Piezoaktor fließenden Laststromes wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CSl festgelegt.
Während der ersten Entladephase "c" sind beide Schalter Sl, S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird teilweise in den
Kondensator Ch entladen. Diese teilweise Entladung erfolgt über die Diode D2 im ersten Strompfad und über die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad. Dabei wird Energie aus dem Piezoaktor P in den Kondensator Ch zurückgeliefert . Der konkrete Verlauf der Piezospannung Up bzw. des Laststromes
Ip2 wird durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS2 festgelegt. Diese teilweise Entladung kann solange fortgesetzt werden, bis die Knotenspannung Uh auf die für die Funktion der Stromquelle CS2 notwendige Mindestspannung (ΔUip) gesunken ist oder die Piezospannung Up auf das Niveau der Versorgungsspannung Ub gesunken ist.
Während der zweiten Entladephase "d" ist der erste Schalter Sl geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen und wird der Piezoaktor P in die elektrische Masse GND weiter entladen. In dieser Phase ist der Piezoaktor P über die Diode D4, den Schalter S2 und die Stromquelle CS2 mit elektrischer Masse GND verbunden. Dies ermöglicht eine vollständige Entladung des Piezoaktors P. Am Ende (Zeitspanne Tn) dieser zweiten Entladephase wird auch das zuvor im Kondensator Ch entstandene "Ladungsdefizit" (Lade/Entlade-Wirkungsgrad in der Praxis ungleich 1) wieder ergänzt, wodurch (bei unverändertem Strom Ip2) die Steilheit des Piezoentladestromes abgeflacht wird. Ist dieser
Abflachungseffekt nicht erwünscht, so kann dies durch eine entsprechende Erhöhung des Entladestromes in dieser Schlussphase kompensiert werden.
Durch die beim Übergang von der ersten Ladephase zur zweiten Ladephase erfindungsgemäß vorgesehene Umschaltung der an der Stromquelle CSl liegenden Spannung (von Ub auf Ub zuzüglich der Kondensatorspannung) ergibt sich für den Ladevorgang der Vorteil einer deutlich reduzierten Verlustleistung in der
Stromquelle CSl. Eine entsprechende Wirkungsgradverbesserung ergibt sich auch für den Entladevorgang. Damit kann insgesamt ein Wirkungsgrad erzielt werden, der vergleichbar mit dem Wirkungsgrad bekannter Endstufenkonzepte ist .
Ein noch wesentlicherer Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung bzw. des damit bewerkstelligten Ansteuerverfahrens liegt im Kostenbereich. Es lassen sich nämlich deutliche Einsparungen bei teuren Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungshalbleitern erzielen. Insbesondere kann auf Grund der mittels der Schaltungsanordnung realisierten Spannungsüberhöhung bzw. Spannungsverdopplung ein DC/DC-Wandler, welcher die Versorgungsspannung Ub bereitstellt, auf etwa "halber Spannung" (im Vergleich zur gewünschten Maximalspannung am Piezoaktor) arbeiten, was die Verwendung kostengünstigerer Schaltungskomponenten (einschließlich derjenigen des DC/DC-Wandlers) gestattet. Viele Komponenten der Schaltungsanordnung müssen nur auf etwas mehr als die Versorgungsspannung Ub und nicht auf die volle maximale Piezospannung Up ausgelegt werden. Außerdem stellt die Schaltungsanordnung geringere Bauraumanforderungen und besitzt eine hohe Robustheit, was insbesondere bei so genannter "Vorort-Elektronik" (z. B. im Motorraum eines
Kraftfahrzeuges) von großer Bedeutung ist.
Eine Anordnung für mehrere kapazitive Lasten, beispielsweise mehrere piezobetätigte Kraftstoff-Einspritzventile bei einem Kraftfahrzeug, lässt sich in einfacher Weise z. B. durch masseseitige "Auswahlschalter" realisieren. Eine solche Schaltungsanordnung bzw. Endstufe zur Ansteuerung einer Mehrzahl von Piezoaktoren ist in Fig. 3 dargestellt.
Fig. 3 zeigt eine Endstufe 100 umfassend eine
Schaltungsanordnung 10', die beispielsweise identisch zu der oben beschriebenen Schaltungsanordnung 10 ausgebildet sein kann und dementsprechend zwei Ausgangsanschlüsse Al (versorgungsseitig) und A2 (masseseitig) aufweist.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist der Ausgangsanschluss Al mit jeweils einem der beiden Lastanschlüsse sämtlicher Piezoaktoren Pl, P2, ... verbunden, wohingegen der jeweils andere Lastanschluss dieser Piezoaktoren über einen jeweils zugeordneten Auswahlschalter (Transistoren Tl, T2, ...) mit dem Ausgangsanschluss A2 verbunden ist. In diesem Verbindungspfad (zwischen A2 und den Auswahlschaltern) ist außerdem noch ein Strommesswiderstand Rs angeordnet, mittels welchem der momentane Laststrom des jeweils ausgewählten Piezoaktors gemessen werden kann. In an sich bekannter Weise wird hierfür der Spannungsabfall am Messwiderstand Rs gemessen, wofür die Schaltungsanordnung 10' mit einem Eingangsanschluss El versehen ist, über welchen der gemessene Spannungsabfall der entsprechenden Steuereinrichtung innerhalb der
Schaltungsanordnung 10' zur Auswertung bzw. Berücksichtigung bei der Ansteuerung zugeführt wird. Der zu messende Spannungsabfall ist mit Uirs bezeichnet . Die Schaltungsanordnung 10' lässt sich somit vorteilhaft auch zum Aufladen und Entladen einer Mehrzahl von Piezoaktoren verwenden. Ansteuersignale für das Schalten der Auswahlschalter Tl, T2, ... können ebenfalls von der betreffenden Steuereinrichtung erzeugt und ausgegeben werden (nicht dargestellt) .
Bemerkenswert ist, dass bei der Endstufe 100 die Auswahlschalter Tl, T2, ... vorteilhaft auch die Funktion einer Stromeinstellung übernehmen können, wie Sie in Fig. 1 beispielsweise durch die Stromquelle CSl realisiert ist. Damit kann z. B. eine der Stromquelle CSl entsprechende gemeinsame Stromquelle des Schaltungsteils 10' ersetzt werden oder eine bei einer solchen Stromeinstellung auftretende Verlustleistung besser verteilt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend
- eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse (GND) bezogenen Versorgungsspannung (Ub),
- einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten (Kl) und einem zweiten Schaltungsknoten (K2) angeordneten Kondensator (Ch), wobei der erste Schaltungsknoten (Kl) über eine Diode (Dl) mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten (K2) über einen ersten Schalter (Sl) mit der Spannungsquelle verbindbar ist,
- einen vom ersten Schaltungsknoten (Kl) zu einem der
Lastanschlüsse führenden ersten Strompfad und einen vom zweiten Schaltungsknoten (K2) zum anderen der Lastanschlüsse führenden zweiten Strompfad,
- eine in Reihenschaltung mit der Last (P) angeordnete
Stromeinstelleinrichtung (CSl, CS2), über welche die Last beim Aufladen und Entladen bestromt wird, und welche eine im ersten Strompfad und/oder eine im zweiten Strompfad angeordnete Stromquelle umfasst,
- einen zweiten Schalter (S2), über welchen der erste Strompfad mit dem zweiten Schaltungsknoten (K2) verbindbar ist, und - eine Steuereinrichtung (SE) zur Ansteuerung der Schalter (Sl, S2)) und der Stromeinstelleinrichtung (CSl, CS2), derart, dass
a) während einer ersten Aufladephase (a) beide Schalter (Sl, S2) geöffnet sind und die Last aus der Versorgungsspannung (Ub) teilweise aufgeladen wird,
b) während einer zweiten Aufladephase (b) der erste
Schalter (Sl) geschlossen und der zweite Schalter (S2) geöffnet ist und die Last (P) aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators (Ch) weiter aufgeladen wird,
c) während einer ersten Entladephase (c) beide Schalter (Sl, S2) geöffnet sind und die Last (P) in den Kondensator (Ch) teilweise entladen wird, und
d) während einer zweiten Entladephase (d) der erste Schalter (Sl) geöffnet und der zweite Schalter (S2) geschlossen ist und die Last (P) in die elektrische Masse (GND) weiter entladen wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Stromeinstelleinrichtung (CSl, CS2) eine erste Stromquelle (CSl) zum Aufladen der Last (P) und separat davon eine zweite Stromquelle (CS2) zum Entladen der Last (P) aufweist .
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zum Aufladen der Last (P) vorgesehene Stromquelle (CSl) im ersten Strompfad angeordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zum Entladen der Last (P) vorgesehene Stromquelle (CS2) im zweiten Strompfad angeordnet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Schalter (Sl, S2), insbesondere sämtliche Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufladung und/oder die Entladung der Last (P) geregelt erfolgt.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im ersten Strompfad eine Diode (D2) angeordnet ist, über welche der Laststrom (Ip) während der ersten Entladephase (c) fließt.
8. Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend
- Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse (GND) bezogenen Versorgungsspannung (Ub) mittels einer Spannungsquelle, und
- Einstellung eines Laststromes (Ip) , der beim Aufladen und Entladen durch die Last (P) fließt, in wenigstens einem von zwei zur Last führenden Strompfaden, wobei die Aufladung und Entladung derart erfolgt, dass
a) während einer ersten Aufladephase (a) eine Nachladung eines Kondensators (Ch) und eine teilweise Aufladung der
Last (P) jeweils aus der Versorgungsspannung (Ub) erfolgt,
b) während einer zweiten Aufladephase (b) eine weitere Aufladung der Last (P) aus einer Reihenschaltung der
Spannungsquelle und des Kondensators (Ch) erfolgt, wobei im Kondensator (Ch) gespeicherte Energie teilweise zur Last (P) übertragen wird,
c) während einer ersten Entladephase (c) eine teilweise Entladung der Last (P) in den Kondensator (Ch) erfolgt, so dass Energie von der Last (P) in den Kondensator (Ch) rückgespeist wird, und
d) während einer zweiten Entladephase (d) eine weitere Entladung der Last (P) in die elektrische Masse (GND) erfolgt .
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